An Interdisciplinary Clinically-Oriented Evaluation Framework for Gait Analysis After Stroke
Stroke is one of the leading causes of severe long-term disabilities in industrialized countries. A common impairment after stroke is limited walking ability. The study of human gait allows medical professionals to offer personalized treatment to patients suffering from varying degrees of impairment. Rehabilitation methods are intended to help ease the symptoms and improve participation in everyday life. Various disciplines are involved in this process, which unfortunately do not sufficiently coordinate the therapies with each other at present. This is the focus of the RehaBoard project. For the first time, an interdisciplinary approach to therapy planning for patients with gait disorders after a stroke is pursued. The basis for this is communication among experts from different disciplines and extensive information that supports the experts.
The basis for this thesis is the approach of using inertial measurement units as a faster and less straining process of doing gait analysis for stroke patients. The data collected in this way should be made accessible to the involved disciplines so that they can be supported in their work as best as possible. For this purpose, inertial measurement unit recordings were compared with those of a marker-based system and shortcomings were identified. The influence of the sensor placement was investigated and a method was developed to manually determine the neutral position for the measurements using photographs. The measurement method was adapted and verified for use in an orthopedic practice, and actual deployment was prepared. A new method for processing the raw data from the inertial measurement units was applied, providing promising results for the sagittal knee angle.
To make the necessary data accessible, a user interface was developed, designed to support different medical disciplines in the diagnosis and treatment of stroke patients. For this purpose, the disciplines were interviewed and observed during the assessment of patients. On this basis, prototypes were created and iteratively reviewed. The resulting user interface was successfully tested with the disciplines using eye-tracking.
The result suggests that a solution could be found to use inertial measurement units to determine joint angles with similar quality to the gold standard, resulting in a more affordable, simple to use and mobile system that is significantly less burdensome for the patient. In addition, a user interface was created and tested based on user data to support different disciplines in the diagnosis and treatment planning of stroke patients. The outcome showed varying emphases for the different disciplines, as was suspected at the beginning of the thesis.
Der Schlaganfall ist die häufigste Ursache für Beeinträchtigungen wie zum Beispiel Gangstörungen. Durch die Untersuchung des menschlichen Gangs kann Patienten eine individuelle Behandlung angeboten werden. Durch Rehabilitationsmaßnahmen sollen die Beschwerden gelindert und die Teilhabe am gesellschaftlichen Leben verbessert werden. Dabei sind verschiedene Disziplinen
beteiligt, die aktuell die Therapien leider nicht miteinander abstimmen. Hier setzt das Projekt RehaBoard an, dies stellt erstmalig einen interdisziplinären Ansatz für die Therapieplanung von Patienten mit Gangstörungen nach Schlaganfall dar. Die Grundlage hierfür ist die Kommunikation der Experten der verschiedenen Disziplinen sowie eine Fülle von Zusatzinformationen.
Basis dieser Arbeit ist der Ansatz, mit Inertialsensoren ein schnelleres und weniger belastendes Verfahren zur Ganganalyse bei Schlaganfallpatienten einzusetzen. Dazu wurden Inertialsensoren Messungen mit denen eines Marker basiertem System verglichen und Schwachstellen identifiziert. Der Einfluss der Sensoren Platzierung wurde untersucht und eine Methode entwickelt, um die neutrale Position für die Messungen anhand von Fotos manuell zu bestimmen. Die Messmethode wurde für den Einsatz in einer orthopädischen Praxis angepasst und verifiziert und der Einsatz vorbereitet. Eine neue Methode zur Verarbeitung der Rohdaten der Inertialsensoren, die in dieser Arbeit angewandt wurde, liefert vielversprechende Ergebnisse für den sagittalen Kniewinkel.
Um die Ganganalysedaten gemeinsam mit ergänzenden Daten leicht zugänglich zu machen, wurde eine Benutzeroberfläche entwickelt die speziell darauf ausgerichtet ist, verschiedene medizinische Disziplinen bei der Diagnose und Behandlung von Schlaganfallpatienten zu unterstützen. Dazu wurden die beteiligten Disziplinen befragt und bei den Befundungen beobachtet. Basierend auf den gesammelten Daten wurden Prototypen erstellt und iterativ überprüft. Die daraus resultierende Benutzeroberfläche wurde mit den Disziplinen mit Hilfe von Eye-tracking getestet.
Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten auf eine Lösung hin, mit der die Inertialsensorens zur Bestimmung der Gelenkwinkel in ähnlicher Qualität wie der Goldstandard eingesetzt werden können. Damit gäbe es ein mobiles, günstigeres und einfacher zu bedienendes System, welches den Patienten deutlich weniger belastet. Darüber hinaus basierend auf Nutzerdaten eine Benutzeroberfläche entwickelt und getestet, die bei der Diagnose und Behandlungsplanung von Schlaganfallpatienten unterstützt. Im Ergebnis konnte verifiziert werden, dass die unterschiedlichen Disziplinen unterschiedliche Fokussierungen in der Beurteilung des Gangs legen.